多功能電子電度表的製作方法
2023-06-27 17:56:56 1
專利名稱：多功能電子電度表的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電力部門用的測量、計量儀表，特別是一種多功能電子式(微電腦)電度表。
電度表是電力部門和電力用戶之間進行聯繫的一個重要的測量儀表。它的性能優劣能直接影響到電力部門和電力用戶。我國目前大量採用的感應式機械電度表，它是通過在電錶中產生交變磁場來達到測量電能的目的。當電錶中電壓線圈加上電壓，電流線圈流過電流時，隨著電流大小的改變，產生的交變磁場強弱不同，使處於磁場中的鋁圓盤上感應出的渦流大小隨著改變，使鋁圓盤按照與功率成正比率的速率旋轉，通過機械傳動方法傳給計數器，實現電能的計量，這種產品耗能高，計量精度低，適用性及抗幹擾性差，管理不便；國內從87年開始，科研人員不斷在電錶的改型方面推出各種方案。有的提出利用可控矽的開關特性，控制電錶電壓線圈的通斷，使得用戶電器不工作時，電壓線圈不耗能。有的提出在電錶上加裝籌碼盒，使用戶在用電前必須投入一定的籌碼從而使先用電後交費，變成先買電後用電。有的提出加裝單片機，進行智能控制，監測用戶狀況，分時計價平衡負荷等等。
國內現已有幾家工廠生產出多功能電度表，它根據機械式無功、有功功率脈衝表的輸入脈衝，在數據處理單元中進行處理、計算、記錄、顯示，它存在的主要問題是結構比較複雜，造價也高，也無法克服感應表本身帶來的種種缺陷。
CN－2048590提出了一種智慧卡式數字電度表，其中的電壓、電流信號通過乘法器和V－F電路輸出有功功率的脈衝，再經過CPU單元與密卡電路相連，該電度表只能檢測有功功率，功能單一，依目前的科技水平，低價乘法器的溫漂和精度都難滿足需要，而且密卡的保密性也很差。
CN－86100655公開了一種智能化多功能電能計量儀，它把電壓、電流信號送入一個A／D轉換晶片轉變為數字量再經光電隔離送入CPU進行計算、控制、顯示，該表採用離散計算的方法計算有功、無功功率，但由於僅採用一個A／D轉換晶片，檢測到的電壓和電流信號不是同時刻信號，在計算後必然存在誤差；另外，滿足一定精度要求的A／D晶片的價格也很高。
本實用新型的目的在於克服現有技術的不足而提供一種測量精度高、結構簡單、價格低廉、具有分時計價即復費率功能而且能計算、記錄需量並且複合現有控制櫃中全部表計性能的多功能電度表或電能測量、記錄儀。
本實用新型的多功能電子電度表包括電壓變換部分，用於發出與所加的高電壓相對應的低壓信號；電流變換部分，用於發出與輸入的大電流相對應的小電流信號再轉換成電壓信號；模擬開關，用於將電壓和電流信號同時的導通；採樣保持電路；模數轉換器，用於將所述電壓或電流變換部分輸入的電壓信號轉換成數位訊號；處理和控制單元；時鐘電路；存儲器，包括程序存儲器、數據存儲器；輸入輸出接口電路，包括顯示電路，列印電路，傳輸電路；電源部分；每一路的電壓和電流經電壓變換部分和電流變換部分送入模擬開關，模擬開關與二個採樣保持電路相連，採保的輸出端接入模數轉換器，轉換後的數位訊號送入處理和控制單元進行計算、存儲、顯示和列印、傳輸。
本實用新型的多功能電子電度表實現了全電子的測量、計算、存儲、顯示、列印、傳輸，採用了對交流電壓、電流直接進行同步隨機採樣技術，省去了對其頻率或周期的整步技術，所以該表具有以下的特點1、可一表多用，本表可通過按各個選擇鍵來選擇顯示所需的各種電力參數，這些參數為三相的電壓、電流、功率因素，峰／平／谷(可有更多時段)的有功電能、無功電能，有功功率、無功功率，需量，頻率，斷電起始、終了時間和斷電時的供電狀況，超容用電和低功率因素的狀況，還可顯示年月日、時分秒，所以一表可取代原配電柜上安裝的全部表計。
2、本表可對高次諧波的電力信號進行處理，因而計量精確度高。
3、能存儲多月的用戶的用電情況。
4、有自動調零、自動校準之功能。
5、有較高的過電壓、過電流能力，可以自動進行量程切換。
6、能分區、分時、分價自動計費，能記錄超容和低功率因素的情況，使電力部門能按電力這個不能儲存的特殊商品的供求矛盾來調整價格，最終儘可能實現移峰填谷。
7、可利用串行口與上位機或手掌機或類似手掌機的取數器進行通訊，實現參數的預置、修改以及提取所有存儲的電力計量數據，也可利用微型印表機直接列印出用電報表。
8、耗電省，屬於節能型產品，並且節省有色金屬。
9、擴展功能容易，進一步開發出無線遙測等新品種。
為詳細介紹本實用新型，下列結合附圖對其電路原理及技術特徵作進一步的說明
圖1為本實用新型的電路原理框圖；圖2為類似圖1的另一個實施例的電路原理框圖；圖3為類似圖1的又一個實施例的電路原理框圖；圖4為類似圖1的再一個實施例的電路原理框圖；圖5是一路的電壓變換部分的詳細線路圖；圖6是一路的電流變換部分的詳細線路圖；圖7是採樣保持電路與模數轉換電路之間的信號處理電路；圖8是類似圖7功能的電路簡圖；圖9是另一個類似圖7功能的電路簡圖。
參見圖1、2、3、4，本實用新型的多功能電子電度表，包括組裝各種電路板用的外殼(圖上未示)，其特徵在於電壓變換部分1，用於發出與所加的高電壓(例如220V、380V或更高的電壓)相對應的低壓信號，一般為±5V，參見圖5，它由電壓互感器PT11，分壓電阻R11，R12，濾波電容C11，鉗位穩壓管DZ11，DZ12，高精度、低溫漂的運算放大器IC11組成，其中的運放接成射隨器方式，進行阻抗匹配；電流變換部分2，用於發出與輸入的大電流相對應的小電流信號，再通過一電阻變成電壓信號，參見圖6，它由電流互感器CT21，很低溫度係數的小阻值電阻R21，接成差分放大方式的雙運放IC21和高精度、低溫漂的運算放大器IC22組成，為實現較寬量程內的高精度測量，上述的運算放大器IC22可置外成可編程的運放，也可在模擬開關3與模數轉換器41之間串接入一個可編程的運放；模擬開關3，用於將相對應的每一路電壓和電流信號同時導通；採樣保持電路41、42，以保證採樣到的電壓和電流信號是同相位的；模數轉換器51、52，用於將所述電壓或電流變換部分輸入的所述電壓信號轉換成數位訊號；處理和控制單元6，它為一微處理器，較好的是各種型號的單片機；時鐘電路7，一般採用工控日曆鍾，例如MSM5832；存儲器8，包括程序存儲器(EPROM)81，數據存儲器，例如靜態存儲器(SRAM)82和／或長期非易失性存儲器(EEPROM)83；輸入輸出接口電路，包括顯示電路91，列印接口電路92，串行通訊傳輸電路93，這些部分與CPU的各種組合屬於現有技術中通用的設計，包括必要的解碼器、鎖存器、緩衝器及並行口擴展電路94；電源部分，負責向全部電路的供電。
圖上示出的觸發電路根據電壓信號的頻率高低產生一方波信號，輸入到單片機的高速輸入口，用來計算對電壓、電流信號的採樣間隔。
圖2中的電路原理圖與圖1中的電路原理圖的主要區別在於只有一個模數轉換器5，採樣保持器41、42保持下來的同一相位某一時刻的電壓和電流信號Vi、Ii經過一個模擬開關3』輸入模數轉換器5，其中的模擬開關3』可以與模擬開關3進行合併。
圖3中的電路原理圖與圖1中的電路原理圖的主要區別在於只有二路的電壓、電流信號輸入，類似於機械式電度表中的三相三線制的二元件。
圖4中的電路原理圖與圖1中的電路原理圖的主要區別在於省去了一個長期非易失性存儲器(EEPROM)和一個並行口擴展電路。
以上四個原理圖中的各種方案可以根據實際需要進行任意的組合。
為了降低整機的造價，可以採用內部保成有模數轉換器的單片機，例如8098，8096等，其中8098是美國intel公司1988年推出的產品，具有比其它單片機性能高、功能全、價格低、使用方便的優點，它有一個高性能6位RALU、高速輸入／輸出口(HSI／HSO)，帶有採樣保持(S／H)電路的4路10位A／D，一個串行口，兩個16位的定時器，一個自復位電路(WATCHDOG)只需很少的硬體支撐就可組成一個完整的微型計算機，由於這片內的A／D只能檢測正半周的信號，從採樣保持器輸出的信號在送入單片機內的A／D之前，需要對信號進行預處理，參見圖7、8、9，圖7的方案是充分利用片內的4路A／D，其中二路用於電壓信號的檢測，另二路用於電流信號的檢測，不管是反應電壓變化的信號還是反應電流變化的信號，對於正半周的信號，通過接入運放的正向端，再從運放的輸出端接入A／D，對於負半周的信號，通過接入運放的反向端反向，再從運放的輸出端接入A／D；圖8的方案是先把±5V的信號通過運放抬高5V，最通過二個運放分離出正負半周的信號；圖9的方案是用一個運放信號根據信號處於正負半周的情況利用模擬開關的切換來抬高5V否。以上的任一種接法都展寬了量程，即把10位的A／D變成11位。
本機的片內A／D採樣到任一相的同時刻的電壓、電流離散值，就可計算出每一相的電壓、電流、有功功率、無功功率，有功電能、無功電能B，其中計算的公式如下電壓值V＝1Ni=1i=NVi2]]>電流值I＝1Ni=1i=NIi2]]>有功功率P＝ 1/(N)-i=1i=NVi/AIi]]>無功功率Q＝V2I2-P2]]>
功率因素COS
＝P／(V×I)有功電能W＝P×ΔT無功電能A＝Q×ΔT其中×ΔT為時間間隔。
有了以上的結果，不難計算出整機的用電參數，對於圖3所示的二路測量電路的情況，也可計算出整機的用電參數，而且根據所檢測時的時間(和日期)及此時所處的峰／谷／平狀態，分別按復費率的要求記錄用電情況，同時可計算出需量，頻率，記錄斷電起始、終了時間和斷電時的供電狀況，超容用電和低功率因素的狀況，還可顯示年月日、時分秒，上述的全部數據或部分數據可根據需要累計、刷新、在整點時刻或規定的時間進行存儲，還可根據數據的重要性分別記存在SRAM或EEPROM中，當然可實時顯示、列印、傳輸。
其中復費率時段的設置，超容用電和低功率因素的限值，需量的計量時間等參數可通過串行口傳輸預置，也可設置必要的撥碼開關來實現。
為了提高整機的測量精度，除了上面提及的利用差分放大、採用低溫漂運放外，還可通過選擇合適的單片機以及電路結構安排，另外的措施是充分利用單片機微電腦的優勢，運用數字濾波技術和自動調零技術，以及自動誤差補償或修正技術。
為了使整機的結構性好，便於生產、安裝、調試和維修，可以把電壓變換部分，電流變換部分，模擬開關，採樣保持電路和電源部分等模擬電路部分製作在一塊電路板上，把模數轉換部分，處理和控制單元，存儲器，輸入輸出接口電路製作在一塊電路板上，二塊電路板之間以及機殼上的硬體接口之間通過插接件相互連接。
權利要求1.一種多功能電子電度表，包括組裝容留電路板的外殼，其特徵在於由以下部分組成電壓變換部分，用於發出與所加的高電壓相對應的低壓信號；電流變換部分，用於發出與輸入的大電流相對應的小電流信號，再轉變為電壓信號；模擬開關，用於將電壓和電流信號同時的導通；採樣保持電路；模數轉換器，用於將所述電壓或電流變換部分輸入的所述低壓或低電流信號轉換成數位訊號；處理和控制單元；時鐘電路；存儲器，包括程序存儲器，數據存儲器；輸入輸出接口電路，包括顯示電路，列印電路，傳輸電路；電源部分；每一路的電壓和電流經電壓變換部分和電流變換部分送入模擬開關，模擬開關與二個採樣保持電路相連，採保的輸出端接入模數轉換器，轉換後的數位訊號送入處理和控制單元，時鐘電路、存儲器、輸入輸出接口電路與處理和控制單元相連接。
2.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於上述的電壓變換部分由電壓互感器和電阻式分壓器組成。
3.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於上述的電流變換部分由電流互感器和變換電阻組成。
4.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於上述的處理和控制單元是一微處理器。
5.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於上述的模數轉換器集成在處理和控制單元中。
6.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於上述數據存儲器包括靜態存儲器SRAM和長期非易失性存儲器EEPROM。
7.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於電壓變換部分，電流變換部分，模擬開關，採樣保持電路和電源部分製作在一塊電路板上。
8.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於模數轉換部分，處理和控制單元，存儲器，輸入輸出接口電路製作在一塊電路板上。
9.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於還包括有時段設置撥碼開關。
10.根據權利要求1所述的多功能電子電度表，其特徵在於上述的模數轉換器與採樣保持器之間接有一信號預處理電路。
專利摘要本實用新型涉及的多功能電子電度表包括電壓變換部分，電流變換部分，模擬開關，採樣保持電路；模數轉換器，處理和控制單元；時鐘電路；存儲器，輸入輸出接口電路，電源部分；每一路的電壓和電流經電壓變換部分和電流變換部分送入模擬開關，模擬開關與二個採樣保持電路相連，採保的輸出端接入模數轉換器，經換後的數位訊號送入處理和控制單元進行計算、存儲、顯示和列印、傳輸。實現了全電子化，節能、精度高，功能齊全。
文檔編號G01R22/00GK2172478SQ93243818
公開日1994年7月20日 申請日期1993年11月8日 優先權日1993年11月8日
發明者姜榮行, 林建敏, 楊紅巖, 顏友鈞, 沈翔 申請人:姜榮行, 林建敏